光刻技术是推动芯片制程工艺持续微缩的核心驱动力之一。近日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队及其合作者在《自然-通讯》上披露了他们的新发现。该团队通过冷冻电子断层扫描技术，首次在原位状态下解析了光刻胶分子在液相环境中的微观三维结构、界面分布与缠结行为，指导开发出可显著减少光刻缺陷的产业化方案。

该成果经媒体报道后，引起多方关注。冷冻电镜这一常被认为用于生命科学领域的技术，如何进入芯片制造业并为业界提供指导？

一问：光刻为什么重要？

彭海琳表示，光刻是芯片制造中关键的步骤之一，通俗理解，光刻就是给半导体晶圆（比如硅片）“印电路”，核心是用超精密“投影仪”把设计好的电路图案，缩小后印在硅片的特殊薄膜上，再通过冲洗定型。光刻是芯片制造的核心技术之一，更是微纳加工领域“皇冠上的明珠”。

显影液则在电路图案形成过程中发挥着重要作用。在光刻胶显影过程中，光刻胶的曝光区域会选择性地溶解在显影液的液膜中。液膜中光刻胶分子的吸附与缠结行为，是影响晶圆表面图案缺陷形成的关键因素，进而可直接影响芯片性能和良率。

二问：为什么使用冷冻电镜断层扫描技术？

目前，国际同行正在利用“原子力显微镜”“扫描电子显微镜”“飞行时间质谱”等技术研究光刻的微观过程和机理，但是这些技术很难“看清”光刻胶高分子在显影液中的一举一动。

此次，团队首次将冷冻电镜断层扫描技术引入到半导体领域，设计了一套与光刻流程紧密结合的样品制备方法。

具体来说，他们在晶圆上进行标准的光刻曝光后，将含有光刻胶聚合物的显影液快速吸取到电镜载网上，并在毫秒内将其急速冷冻至玻璃态，瞬间“冻结”光刻胶在溶液中的真实构象。之后在冷冻电镜下倾斜该样品，通过采集多角度下的二维投影图像，实现三维重构，分辨率可达亚纳米级。

与传统方法相比，冷冻电子断层扫描分析具有显著优势，可高分辨率重建液膜中光刻胶聚合物的三维结构与界面分布，还能解析光刻胶分子的聚合物缠结现象。

三问：该发现对产业界意味着什么？

冷冻电镜断层扫描的三维重构带来了一系列新发现。

论文通讯作者之一、北京大学化学与分子工程学院高毅勤教授表示，以往业界认为溶解后的光刻胶聚合物主要分散在液体内部，可三维图像显示它们大多吸附在气液界面。团队还首次直接观察到光刻胶聚合物的“凝聚缠结”，其依靠较弱的力或者疏水相互作用结合。而且，吸附在气液界面的聚合物更易发生缠结，形成平均尺寸约30纳米的团聚颗粒，这些“团聚颗粒”正是光刻潜在的缺陷根源。

“我们由此提出了两项简单、高效且与现有半导体产线兼容的解决方案。一是抑制缠结，二是界面捕获。”彭海琳说，实验表明，两种策略结合，12英寸晶圆表面的光刻胶残留物引起的图案缺陷被成功消除，缺陷数量降幅超过99%，且该方案具备极高的可靠性和重复性。

彭海琳表示，研究说明冷冻电子断层扫描技术为在原子/分子尺度上解析各类液相界面反应提供了强大工具，也有助于阐释高分子、增材制造和生命科学中广泛存在的“缠结”现象。“我们的方案能为提升光刻精度与良率开辟新路径。”彭海琳说。